In de kwantummechanica kunnen deeltjes zich gedragen als golven en door een experiment vele paden volgen. Het vereist alleen combinaties van paren paden, in plaats van drie of meer, om de kans te bepalen dat een deeltje ergens aankomt. Onderzoekers van de universiteiten van Wenen en Tel Aviv hebben deze vraag voor het eerst expliciet aangepakt door gebruik te maken van de golfinterferentie van grote moleculen achter verschillende combinaties van enkelvoudige, dubbele, en driedubbele spleten.

Kwantummechanica beschrijft hoe materie zich gedraagt ​​op de kleinste massa- en lengteschalen. Echter, de afwezigheid van kwantumverschijnselen in ons dagelijks leven heeft geleid tot een zoektocht naar minimale modificaties van de kwantummechanica, wat misschien alleen merkbaar is voor massieve deeltjes. Een kandidaat is om te zoeken naar zogenaamde hogere-orde interferentie. In de standaard kwantummechanica, het interferentiepatroon dat resulteert uit een willekeurig aantal niet-interagerende open paden kan altijd worden beschreven door alle combinaties van paren paden. Elk overblijvend patroon zou te wijten zijn aan interferentie van een hogere orde en een mogelijke indicator zijn voor nieuwe fysica.

Hoewel deze regel al eerder is getest met licht en microgolfstraling, onderzoekers van de universiteiten van Wenen en Tel Aviv hebben nu voor het eerst een specifiek experiment met massieve moleculen uitgevoerd. "Het idee is al meer dan twintig jaar bekend. Maar nu pas hebben we de technologische middelen om alle componenten samen te brengen en een experiment te bouwen dat in staat is om het te testen met massieve moleculen, " zegt Christian Brand, een van de auteurs van het onderzoek.

Golfdiffractie van materie met meerdere spleten

In hun experimenten aan de Universiteit van Wenen, onderzoekers van de Quantum Nanophysics Group onder leiding van Markus Arndt maakten complexe organische moleculen als materiegolven. Dit werd bereikt door ze te verdampen vanaf een plek ter grootte van een micron in hoog vacuüm en ze enige tijd vrij te laten evolueren. Na verloop van tijd, elk molecuul gedelokaliseerd, verspreidt zich over veel plaatsen tegelijk. Dit betekent dat wanneer elk molecuul een masker tegenkomt dat meerdere spleten bevat, het kan veel van de spleten parallel doorlopen. Door zorgvuldig de positie van moleculen die bij de detector aankomen te vergelijken achter een combinatie van enkelvoudige, dubbele en driedubbele spleten waren ze in staat om grenzen te stellen aan elke multipath-bijdrage.

Technologie die nanofabricage mogelijk maakt

Een cruciaal onderdeel van het experiment is het masker - een ultradun membraan waarin arrays van enkelvoudige, dubbele en driedubbele spleten werden vervaardigd. Het werd ontworpen en vervaardigd door Yigal Lilach en Ori Cheshnovsky aan de Universiteit van Tel Aviv. Ze moesten een diffractiemasker maken, waar de maximale afwijking in de spleetafmetingen niet veel groter was dan de grootte van de moleculen die het afbrak. Het masker werd geïntegreerd in het laboratorium van Wenen en de onderzoekers bestudeerden een breed scala aan moleculaire snelheden in dezelfde experimentele run. Voor hen allemaal, de wetenschappers vonden het interferentiepatroon om de verwachtingen van de standaard kwantummechanica te volgen met een bovengrens in de afwijking van minder dan één deeltje op honderd. "Dit is de eerste keer dat een dergelijke expliciete test is uitgevoerd met massieve deeltjes", zegt Joseph Cotter, de eerste auteur van deze publicatie. "Eerdere tests hebben de grenzen verlegd met enkele fotonen en microgolven. In ons experiment, we stellen grenzen aan interferentie van hogere orde van massieve objecten."

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .